Por que os robôs humanóides abrem um novo oceano azul para aplicações de motores sem núcleo

 

Os robôs humanóides, como representantes notáveis ​​de robôs de uso geral e portadores ideais de "inteligência incorporada", beneficiam-se, por um lado, do rápido desenvolvimento da inteligência artificial geral e, por outro lado, tornando-se a ponte entre a IA e o mundo real com "inteligência incorporada", evoluindo gradualmente para a plataforma terminal para a próxima geração de inteligência artificial geral. Nas tarefas dos robôs, grandes modelos de IA assumem papéis importantes no raciocínio e na tomada de decisões, convertendo instruções complexas em etapas executáveis ​​para robôs por meio da análise de comandos de linguagem natural. Além disso, a adição de grandes modelos de IA multimodais melhora significativamente a precisão e a eficiência do raciocínio e da tomada de decisões, fornecendo um suporte importante para que os robôs humanóides progridam em direção à generalização.

 

 

O rápido desenvolvimento da indústria robótica depende de inovações em tecnologias de componentes essenciais e da estabilidade do seu fornecimento. Em robôs humanóides, o redutor, o servosistema e o controlador são considerados os três componentes principais, representando juntos mais de 70% do custo total. Além disso, como componente central, o valor do motor não pode ser negligenciado. Em robôs humanóides como o Optimus, o custo do motor representa aproximadamente 25% do valor total do componente.

 

Supondo que o volume global de remessas de robôs humanóides atingirá 5 milhões de unidades na próxima década, a demanda por motores sem núcleo (sem núcleos de ferro) verá um enorme crescimento do mercado durante este período. Com base nos preços unitários, o incremento do mercado para motores sem núcleo pode atingir 350 mil milhões de RMB, enquanto o mercado incremental para motores sem núcleo deverá exceder 78 mil milhões de RMB. Juntos, estes dois formarão um vasto espaço de mercado de 428 mil milhões de RMB.

 

 

Ao contrário dos robôs industriais utilizados em ambientes de trabalho fixos, os robôs humanóides atendem principalmente aos cenários da vida diária humana. Esses robôs precisam não apenas de capacidades de percepção, tomada de decisão e ação, mas também de simular padrões de comportamento humano para interagir com o ambiente e os usuários de uma forma mais natural. Portanto, os motores, como componentes principais dos atuadores articulados, afetam diretamente a flexibilidade, a precisão e a estabilidade do robô.

 

Entre as várias tecnologias de acionamento, o acionamento por motor elétrico apresenta vantagens significativas sobre o acionamento hidráulico. A solução de acionamento de motor elétrico se beneficia de uma tecnologia madura de controle de movimento, fornecendo feedback em tempo real do status do movimento por meio de codificadores de alta precisão para garantir um controle preciso. Ao mesmo tempo, o custo dos sistemas de acionamento por motor elétrico é menor em comparação aos sistemas hidráulicos, exigindo menos manutenção. Essa característica econômica torna o acionamento por motor elétrico uma das principais opções para o desenvolvimento de robôs humanóides.

 

Entre eles, os motores sem núcleo, com suas características leves, de alta eficiência e de baixa inércia, tornaram-se componentes-chave na melhoria do desempenho do robô humanóide.Os motores sem núcleo podem fornecer maior densidade de potência e velocidades de resposta mais altas em pequenos volumes, permitindo que os robôs apresentem desempenho superior no controle conjunto com vários graus de liberdade. Além disso, os motores sem núcleo têm menor consumo de energia, ajudando os robôs a prolongar a vida útil da bateria.

 

1.1 Robôs Humanóides Integrando-se à Vida Diária, Demonstrando Força Tecnológica Nacional

Os robôs humanóides tornaram-se gradualmente assistentes confiáveis ​​na vida humana diária, capazes de auxiliar em uma variedade de tarefas complexas. Ao contrário dos robôs industriais, que normalmente trabalham em ambientes fixos, os robôs humanóides são projetados para se integrarem ao ambiente diário humano. Esses robôs não apenas possuem capacidades essenciais como percepção, tomada de decisão e ações, mas também possuem características de movimento semelhantes às humanas e designs de aparência amigáveis, tornando-os mais facilmente aceitos pelos humanos e criando uma sensação de familiaridade. Ao adaptarem-se de forma flexível a diferentes ambientes, os robôs humanóides apresentam um enorme potencial de aplicação em áreas como casa, serviços e saúde.

 

Como dispositivos inteligentes avançados, os robôs humanóides são considerados símbolos da força tecnológica nacional. O seu desenvolvimento exige a superação de barreiras tecnológicas em múltiplas disciplinas, incluindo engenharia mecânica, engenharia elétrica, ciência dos materiais, tecnologia de detecção, sistemas de controle e inteligência artificial. Com características de aparência humana, capacidade de andar bípede e tecnologias de controle de movimento altamente coordenadas, os robôs humanóides podem realizar tarefas físicas e se comunicar com os humanos por meio de linguagem ou expressões faciais. Em comparação com os robôs tradicionais, os robôs humanóides apresentam vantagens significativas na interação homem-máquina, adaptação ambiental e versatilidade de tarefas.

 

 

1.2 O Desenvolvimento de Robôs Humanóides: Do Conceito à Industrialização

O conceito de robôs existe há mais de um século, e a pesquisa sobre robôs humanóides começou em meados do século XX, passando por um longo processo de desenvolvimento, desde protótipos de laboratório até os estágios iniciais de industrialização. O primeiro uso do termo "robô" vem da peça RUR (Robôs Universais de Rossum), do escritor tcheco Karel Čapek, que significa escravos de máquinas que servem a humanidade. A produção em massa de robôs industriais começou na década de 1960, com o braço robótico "UNIMATE" lançado pela empresa americana Unimation, que abriu a era dos robôs industriais comerciais.

 

A pesquisa e desenvolvimento de robôs humanóides começou no Japão e gradativamente entrou nas etapas de sistematização e alta dinâmica:

 

Estágio inicial de exploração (por volta da década de 1970): Em 1973, o professor Ichiro Kato da Universidade de Waseda, no Japão, desenvolveu o primeiro robô humanóide do mundo, WABOT-1, e seu mecanismo de caminhada bípede WL-5 lançou as bases para o humanóide. robôs.

 

Estágio de Integração Tecnológica (década de 1980-1990): Em 1986, a Honda iniciou pesquisas sobre o robô humanóide ASIMO e, em 2000, o modelo ASIMO de primeira geração foi lançado, marcando a entrada dos robôs humanóides em um estágio tecnológico altamente integrado.

 

Estágio de avanço de desempenho dinâmico (2000-2020): Em 2016, a Boston Dynamics dos Estados Unidos lançou o robô bípede Atlas, que, com sua poderosa capacidade de equilíbrio e desempenho de travessia de obstáculos, alcançou novos patamares em movimento dinâmico e execução de tarefas em ambientes perigosos.

 

Estágio inicial de industrialização (2020-presente): em 2022, a Tesla lançou o protótipo de robô humanóide Optimus, apresentando inteligência artificial altamente integrada e tecnologia de acionamento motorizado no Tesla AI Day. A versão 2023 do Optimus é capaz de classificar objetos e balanceá-los com precisão, sinalizando que os robôs humanóides estão gradualmente avançando em direção à aplicação prática.

 

1.3 Integração Profunda de Robôs Humanóides e Tecnologia de Motores

A evolução contínua dos robôs humanóides é inseparável do suporte da tecnologia motora. Como componente central dos acionamentos articulados do robô, os motores não apenas determinam o desempenho de movimento do robô, mas também afetam sua flexibilidade e durabilidade. Com sua alta precisão, baixo consumo de energia e confiabilidade, os acionamentos de motor tornaram-se gradualmente a solução de energia mais comumente usada para robôs humanóides. Enquanto isso, os motores sem núcleo, com vantagens como leveza, alta eficiência e baixa inércia, estão fornecendo suporte tecnológico crucial para o rápido desenvolvimento de robôs humanóides.

 

No futuro, com novos avanços tecnológicos, os robôs humanóides tornar-se-ão mais amplamente utilizados em vários cenários de vida, injectando nova vitalidade no desenvolvimento económico e social global. Isto faz do mercado automóvel, especialmente o mercado automóvel sem núcleo, um novo e altamente esperado oceano azul.

 

1.4 Estrutura do Robô Humanóide: Análise dos Componentes Chave

A estrutura principal dos robôs humanóides pode ser dividida em três módulos principais: atuadores, controladores e sensores. Componentes principais como motores, redutores e sensores determinam o desempenho do robô. Abaixo está uma análise detalhada desses componentes:

 

1.4.1 Motor

O motor é o núcleo da execução do movimento do robô humanóide, incluindo servo motores, motores de passo, motores de torque e motores esféricos, entre outros. Entre eles, os motores de torque são considerados ideais para articulações de robôs humanóides com demandas de baixa velocidade e alto torque devido à sua capacidade de fornecer alto torque em velocidades médias e baixas. Porém, sua dificuldade de pesquisa e produção é relativamente alta, exigindo avanços em gargalos tecnológicos.

 

1.4.2 Redutor

Os redutores harmônicos são amplamente reconhecidos por sua estrutura compacta, alta taxa de transmissão e precisão superior, tornando-os uma escolha comum para componentes de juntas de robôs. No entanto, sua durabilidade e vida útil ainda podem ser melhoradas.

 

1.4.3 Sensor

Os sensores desempenham um papel crítico nos robôs, especialmente os sensores de torque, que são uma parte essencial do projeto das juntas. Esses sensores, em combinação com motores e redutores, formam o conjunto conjunto e fornecem controle preciso de movimento e feedback de força.

 

1.4.4 Método de Acionamento do Membro Superior

Os membros superiores usam principalmente designs de parafusos esféricos, que convertem o movimento alternativo das esferas em movimento linear do parafuso. Comparados aos acionamentos por correia ou corrente, os fusos de esferas têm menos atrito, menores custos de operação e manutenção e maior precisão.

 

1.4.5 Método de Impulsão dos Membros Inferiores

Os parafusos de rolos planetários, conhecidos por sua resistência ao impacto de forças externas e longa vida útil, tornaram-se a principal escolha para acionamentos de membros inferiores, especialmente adequados para lidar com necessidades complexas de controle de marcha.

 

1.4.6 Articulação Manual

As juntas manuais geralmente usam motores sem núcleo. Esses motores têm design simples, são leves e são componentes de acionamento ideais para movimentos dos dedos, permitindo um controle mais preciso.

 

Além disso, as opções de rolamentos para juntas lineares e rotativas incluem rolamentos de contato angular, rolamentos de rolos cruzados e rolamentos rígidos de esferas. Juntos, esses componentes garantem leveza, precisão e confiabilidade do robô.

 

 

Vantagens inteligentes do acionamento motorizado

Comparados aos acionamentos hidráulicos, os acionamentos motorizados apresentam desempenho inteligente particularmente notável no controle de movimento. Por exemplo, o robô humanóide da Tesla adota tecnologia de servo motor de alta densidade de torque, com seu controle de movimento inteligente excedendo em muito os sistemas hidráulicos tradicionais. Este design não só permite feedback em tempo real do status do movimento para garantir a precisão do controle, mas também mantém os custos relativamente baixos, tornando-o adequado para aplicações em larga escala.

 

Requisitos de desempenho para servomotores

Como núcleo dos atuadores robóticos, os servomotores precisam atender aos seguintes requisitos de desempenho:

• Capacidade de resposta rápida: Os servomotores precisam dar partida e parar rapidamente para se adaptarem a ambientes altamente dinâmicos.
• Alta relação torque de partida/inércia: Os servomotores devem fornecer alto torque de partida enquanto mantêm baixa inércia rotacional.
• Controle Contínuo e Características Lineares: A velocidade do motor precisa ser ajustada continuamente com mudanças no sinal de controle para garantir uma execução precisa.
• Design compacto: Os servomotores devem ser pequenos e leves para caber no layout espacial compacto do robô.
• Durabilidade e capacidade de sobrecarga: Os servomotores devem suportar rotações frequentes para frente e para trás e operações de aceleração/desaceleração, e suportar várias vezes a carga nominal por curtos períodos.

Essas características tornam os servomotores indispensáveis ​​no campo da robótica, estabelecendo as bases para maior inteligência e estabilidade em robôs.

 

Continuar lendo: O coração do movimento do robô – o papel decisivo dos motores na precisão – Parte 2